Equazioni differenziali: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

Nuovi eserciziTorna al corso

Nella finestra di stampa scegli “Salva come PDF” per conservarne una copia sul tuo dispositivo.

1Formule e metodi

Equazioni differenziali

Crescita/decadimento esponenziale
dy/dt = ky → y = y0ekt
Tempo di dimezzamento
k = ln 2 / t½
Legge di raffreddamento di Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Fattore integrante
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Serbatoio di miscelazione
dm/dt = r·c − (r/V)·m

Integrali

Regola della potenza
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Integrale definito
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Integrali fondamentali
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Area tra due curve
∫ab (f − g) dx

Metodo

  1. Riscrivi, dove possibile, la funzione integranda come somma di termini semplici.
  2. Applica la regola della potenza: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), e gli integrali notevoli per ex, 1/x, sin e cos.
  3. Usa la sostituzione quando vedi insieme una funzione e la sua derivata.
  4. Per un integrale definito calcola F(b) − F(a).

Derivate

Regola della potenza
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
Regola del prodotto
(uv)′ = u′v + uv′
Regola del quoziente
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
Regola della catena
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
Derivate fondamentali
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

Metodo

  1. Identifica la struttura: somma, prodotto, quoziente o composizione.
  2. Applica la regola della potenza a ogni potenza di x.
  3. Usa la regola del prodotto, del quoziente o della catena dove serve.
  4. Semplifica e, se richiesto, calcola il valore nel punto.

Metodi numerici

Bisezione
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Interpolazione lineare
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Regola dei trapezi
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Regola di Simpson (n pari)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Maggiorazione dell’errore dei trapezi
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Eulero
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Metodo

  1. Per una radice: controlla il cambio di segno per la bisezione, oppure calcola f e f′ per Newton, e mantieni sei o più cifre in una tabella di iterate.
  2. Per un valore di tabella: interpola linearmente tra i due punti vicini.
  3. Per un integrale: trova h = (b − a)/n, elenca f in ogni nodo, applica i pesi (1, 2, …, 2, 1 per i trapezi; 1, 4, 2, …, 4, 1 per Simpson con n pari) e moltiplica per h/2 o h/3.
  4. Per un’equazione differenziale: avanza da t₀ con yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Eulero) o con la pendenza media (Heun), una riga per passo, fino a raggiungere il t richiesto.

2Esercizi

1.Equazioni differenzialiMedia
t (min)T (°C)29Ta​T = ?

Una lattina di bibita a 5 °C viene tolta dal frigorifero e portata in una stanza a 28 °C. Segue la legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Con k = 0,09 min⁻¹, trova la sua temperatura T dopo 29 min.

T0 = 5 °CTa = 28 °Ck = 0,09 min⁻¹t = 29 min
T = °C
2.Equazioni differenzialiDifficile
tyy(0) = 2y(1,5) = ?

Risolvi y″ + 4y′ + 20y = 0 con y(0) = 2 e y′(0) = 0 (rilasciato da fermo). Trova y(1,5); angoli in radianti.

y″ + 4y′ + 20y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
3.IntegraliMedia
xy12,5y = x ln x

Calcola I = ∫₁2,5 x·ln x dx.

∫₁2,5 x ln x dx
I =
4.IntegraliDifficile
xy2y = x²eˣ

Calcola I = ∫₀2 x²·eˣ dx.

∫₀2 x²eˣ dx
I =
5.DerivateMedia
xyx = 0

Sia f(x) = (4x + 3)5. Trova f′(0).

f(x) = (4x + 3)5x = 0
f′(0) =
6.DerivateDifficile
xy

Sia f(x) = x3 − 4,5x2 + 5. Trova l'ascissa x del minimo locale.

f(x) = x3 − 4,5x2 + 5
x =
7.Metodi numericiMedia
xy00,33330,666711,3331,6672

Approssima ∫02 e−x² dx con la regola di Simpson usando n = 6 strisce. Dai S.

f(x) = e−x²[a, b] = [0, 2]n = 6
S =
8.Metodi numericiDifficile
00,20,4345ty(0, 3)

Usa il metodo di Eulero con h = 0,1 per y′ = y − t², y(0) = 3, per stimare y5 ≈ y(0,5).

y′ = y − t²y(0) = 3h = 0,1
y5 =

3Soluzioni

1.Equazioni differenziali

Risposta: T = 26,31 °C

Equazioni differenziali del primo ordine: dy/dt = k·y ha soluzione y = y₀·ekt (crescita per k > 0, decadimento per k < 0); un tempo di dimezzamento T dà k = ln 2/T. La legge di raffreddamento di Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), dà T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Un’equazione lineare y′ + p(x)·y = q(x) si risolve con il fattore integrante μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, quindi μy = ∫μq dx + C.

Soluzione della legge di raffreddamento

T(t) = 28 + (−23)·e−0,09t

Sostituisci t

T(29) = 28 + (−23)·0,07353 = 26,31 °C

Risposta

T = 26,31 °C
2.Equazioni differenziali

Risposta: y(1.5) = 0,0817

Equazioni lineari del secondo ordine: per y″ + b·y′ + c·y = 0 prova y = ert: si ottiene l’equazione caratteristica r² + b·r + c = 0. Due radici reali r₁ ≠ r₂ danno y = A·er₁t + B·er₂t (sovrasmorzato); una radice doppia r dà y = (A + Bt)·ert (smorzamento critico); radici complesse −α ± jω danno y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (sottosmorzato, oscillante). I valori iniziali y(0) e y′(0) fissano A e B. Scritta come y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0, ωn è la pulsazione naturale e ζ il coefficiente di smorzamento: con ζ < 1 si ha oscillazione. Con un ingresso costante, y″ + by′ + cy = c·K, la soluzione è il valore a regime K più la risposta libera.

Radici complesse

r = −2 ± 4j

Costanti

A = 2, B = 2·2/4 = 1

Calcola

y(1,5) = e−3(2·cos 6 + 1·sin 6) = 0,0817

Risposta

y(1,5) = 0,0817
3.Integrali

Risposta: I = 1,551

Integrazione per parti: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, dalla regola del prodotto. Scegli u come il fattore che si semplifica quando lo derivi (una potenza di x, o ln x), e dv come il fattore che sai integrare (eˣ, sin x, cos x, o x quando u = ln x). Per un integrale definito, calcola u·v a entrambi gli estremi: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Un fattore x² richiede due passaggi.

Scegli u e dv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

Primitiva

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

Limiti

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

Risposta

I = 1,551
4.Integrali

Risposta: I = 12,78

Integrazione per parti: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, dalla regola del prodotto. Scegli u come il fattore che si semplifica quando lo derivi (una potenza di x, o ln x), e dv come il fattore che sai integrare (eˣ, sin x, cos x, o x quando u = ln x). Per un integrale definito, calcola u·v a entrambi gli estremi: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. Un fattore x² richiede due passaggi.

Primo passaggio

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

Secondo passaggio

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

Limiti

7,389·(2) − 1·2 = 12,78

Risposta

I = 12,78
5.Derivate

Risposta: f′(0) = 1620

Derivazione: la derivata f′(x) è la pendenza del grafico in x. Regola della potenza: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regola del prodotto: (uv)′ = u′v + uv′. Regola della catena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Dove f′(x) = 0 il grafico ha una tangente orizzontale: un massimo, un minimo o un punto di sella.

Regola della catena

f′(x) = 5·(4x + 3)4·4

Sostituisci

f′(0) = 5·34·4 = 1620

Risposta

f′(0) = 1620
6.Derivate

Risposta: x = 3

Derivazione: la derivata f′(x) è la pendenza del grafico in x. Regola della potenza: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Regola del prodotto: (uv)′ = u′v + uv′. Regola della catena: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Dove f′(x) = 0 il grafico ha una tangente orizzontale: un massimo, un minimo o un punto di sella.

Derivata

f′(x) = 3x2 − 9x = 3·(x2 − 3x)

Risolvi f′(x) = 0

x = 0 oppure x = 3

Qual è quale

f″(x) = 6x − 9: negativa in un massimo, positiva in un minimo.

f″(0) = −9, f″(3) = 9
x = 3

Risposta

x = 3
7.Metodi numerici

Risposta: S = 0,882

Integrazione numerica: dividi [a, b] in n strisce di larghezza h = (b − a)/n con nodi x₀ … xₙ. Regola dei trapezi: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Regola di Simpson (n pari): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. L’errore dei trapezi diminuisce come h² (maggiorazione (b − a)h²·M/12 con M = max|f″|), quello di Simpson come h⁴, quindi Simpson è di solito molto più accurata a parità di nodi.

ixᵢf(xᵢ)peso001110,3333330,894839420,6666670,641182310,367879441,3333330,169013251,6666670,06217654620,01831561

Nodi e valori

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,894839 + 2·0,64118 + 4·0,367879 + 2·0,169013 + 4·0,0621765 + 0,0183156 = 7,938284

Regola di Simpson

S = (0,3333/3)·7,938284 = 0,882

Risposta

S = 0,882

Questo integrale non ha una primitiva elementare, ed è proprio allora che serve una regola numerica.

8.Metodi numerici

Risposta: y5 = 4,799

Soluzione numerica di y′ = f(t, y): il metodo di Eulero avanza lungo la pendenza all’inizio di ogni passo: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Il metodo di Heun (Eulero migliorato) fa la media della pendenza all’inizio e in una previsione di Eulero: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Il metodo classico di Runge–Kutta (RK4) combina quattro pendenze: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). L’errore globale di Eulero è proporzionale a h, quello di Heun a h², quello di RK4 a h⁴.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00333,310,13,33,293,62920,23,6293,5893,987930,33,98793,89794,3776940,44,377694,217694,799459

Passi di Eulero

y₁ = 3 + 0,1·(3) = 3,3
y₂ = 3,3 + 0,1·(3,29) = 3,629
y₃ = 3,629 + 0,1·(3,589) = 3,9879
y₄ = 3,9879 + 0,1·(3,8979) = 4,37769
y₅ = 4,37769 + 0,1·(4,21769) = 4,799459
00,20,4345ty

Grafico

y5 = 4,799

Risposta

y5 = 4,799

Il valore esatto è y(0,5) = 4,898721.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations